CC1101无线通信模块的智能开关设计

引言

目前，据国家有关部门统计，国家机关办公建筑和大型公共建筑每平方米建筑面积年平均耗电量为85.4度(年平均85.4 kWh/m2)，约占全国城镇总耗电量的22%，每平方米耗电量是普通居民的10～20倍，是欧洲、日本等发达国家同类建筑的1.5～2倍。

一方面，我国大型公共建筑用电巨大，另一方面，也缺乏直接数据为用电节能决策的制定提供参考。为此，国务院令第531号《公共机构节能条例》第14条明确指出：公共机构应当实行能源消费计量制度，区分用能种类，用能系统实行能源消费分户、分类、分项计量，并对能源消耗状况实行监测，及时发现、纠正用能浪费现象。江苏、上海等地方分别推出苏建科[2007]217号文《江苏省公共建筑用能计量设计规定》和沪建交[2008]828号文《关于进一步加强本市民用建筑设备专业节能设计技术管理的通知》，进一步明确提出对主要用电设施分项计量，对办公楼、商场、宿舍等应计量到经济核算单元，对医疗病房、宾馆客房、学校教室应按楼层或功能分区计量等。

由此可见，大型公共建筑实行电能分项计量管理，可及时发现、纠正用电浪费，并为建筑节能考核提供依据。为此，本文提出了一种成本低廉、工作可靠的基于 CC1101无线模块的智能开关，组网简单，可以实现电压、电流、有功功率、无线过载保护、功功率、电量等信息的计量与数据上报，以及具有定时通断、状态提示等功能，为电能分项计量管理提供了一种终端设备。

1 大型建筑物智能用电系统的拓扑结构

智能用电系统以计算机、通信设备、现场电力仪表计量装置为基本工具，为实时数据采集、远程管理与控制提供了基础平台。该系统主要采用分层分布式计算机网络结构，分为监控管理层、网络通信层和现场设备层。监控管理层包括一台监控计算机以及移动监控客户端;网络通信层包括房间控制器、智能网关;现场设备层主要包括环境参数传感器(温湿度、光照、有害气体等传感器设备)、智能开关、智能插座、房间总电量传感器。智能用电系统的总体框图如图1所示。

房间控制器是房间内所有采集控制设备和上层网络之间通信的桥梁，负责所管辖模块的数据汇总上传和上行命令的下发;智能网关是房间无线传感网络与LAN网络建立连接的桥梁，完成无线数据与网络数据的双向转换;监控中心可以制定相应的用电策略来管理整个建筑的用电情况，同时，数据可以通过LAN总线经过路由器发布到Internet上，用户即可通过移动监控客户端登陆网络，获取建筑物内的环境信息及用电信息，实现用电的智能化。

2 智能开关设计方案

为了满足智能开关在大型公共建筑物智能用电系统中的功能需要，智能开关除了保留传统的手动控制功能以外，还需要远程控制、电量计量、数据上传等功能。

2.1 智能开关结构框图

智能开关结构框图如图2所示，包括电源模块、主MCU、副MCU、无线通信模块、电能计量模块、继电器模块、按键等。

2.2 电源模块设计

由于智能开关安装方式为86式，电路板的空间十分有限，为减小电路板面积，电路电源模块采用广州禹舜公司生产的YS-5V600MA隔离式开关电源，与普通的稳压电源相比，该开关电源具有体积小巧、电磁兼容性好、输出纹波噪声小、精确稳压及瞬变响应快等优点，同时具有温度保护、过流保护及短路保护等功能。三端稳压器LD1117及其外围电容构成DC 5 V/DC 3.3 V转换电路，以满足设计要求。其原理图如图3所示。

2.3 电量采集模块设计

电量采集模块采用RN8209G电量计量芯片，外围电路简单，支持IEC62053—22：2003标准，能够采集单相电路的电压、电流、有功功率、无功功率、电量等参数。有功、无功电能脉冲分别从PF、QF引脚输出，方便校表时与标准表进行连接，并支持全数字的增益、相位和offset校正，可支持 SPI接口与处理器通信，具有体积小、精度高、功能强等优点。其原理图如图4所示。

电压采集是从零线和火线之间串接3个330 kΩ的电阻和一个1 kΩ的电阻，1 kΩ电阻分得的电压输入到电压通道的正模拟输入引脚，电压通道的负模拟引脚经过1 kΩ电阻与火线相连，经过RN8209G内部采集与计算得到电压参量并存放在电压有效值寄存器中，MCU读取电压参量后，经过数据处理可以得到电压值。

电流采集是将2 mΩ锰铜分流器串接在供电回路中，当灯具工作时，锰铜分流器两端便产生微小的压降，分流器两端经过1 kΩ电阻器输入到A路电流通道中，RN8209G经过内部采集与计算得到电流参量并存放在电流有效值寄存器中，MCU读取电流参量并经过处理便可得到电流值。

2.4 继电器模块设计

智能开关采用电磁继电器控制电路的通断，智能开关的最大负载可以达到10 A，可以有效地控制各种照明设备，电路图如图5所示。

2. 5 无线通信模块设计

无线通信模块选用CC1101模块，工作频段为433 MHz。与WiFi、ZigBee、蓝牙等无线通信模块相比，CC1101具有价格低、传输距离远、可操作性强等优点。

无线通信模块的核心芯片是TI公司生产的高性能CC1101芯片，具有功耗低、成本低、工作稳定等优点。其内部集成了一个高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，其数据传输率可达500kbps。通过开启集成的调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。

由于CC1101的通信端口为SPI口，通信时会占用许多资源，又因为其信息传播方式为广播模式，当通信数据量较大时主MCU工作量较大，所以加入一片 STC15W204S单片机，负责CC1101的SPI端口数据与主板单片机串口之间的信息转发与预处理。另外，可以利用STC15W204S单片机具有全球唯一ID的特性来设计无线组网方式。

3 智能开关组网及通信可靠性设计

3.1 智能开关组网设计

利用STC15W204S单片机具有全球唯一ID的特性来设计组网方式，其组网流程分为以下步骤：

①首次上电后，主板单片机向STC15W204S单片机发送索要ID命令，单片机返回ID后主板单片机将ID号保存在EEPROM中，作为自身的ID。

②按下主板上的登陆按键，主板单片机发出带有ID信息和设备信息的登录请求命令，通过CC1101广播出去，房间控制器收到此信息后将其记录下来，并记录其位置。

③房间控制器保存成功后，返回带有此设备信息的登录成功命令，智能开关收到此命令后便知已成功入网。

④房间控制器将此设备信息通过智能网关上传至网络，监控中心便可远程操作此智能开关。

3.2 通信可靠性设计

由于系统终端节点数量庞大，为避免无线信道数据冲突，数据上传方式设计为轮询方式，但是轮询间隔不能过长，否则信息上传过慢，会影响实时性。如果轮询时仍为广播模式，主MCU便会一直收到查询命令，但大部分都不是本体的有效命令。为了减轻主MCU的运行负担，保证系统的稳定工作，在设计上加入信息筛选程序，即通过副MCU进行一次数据筛选。筛选流程分为以下步骤：

①副MCU从CC1101中读取一组数据帧。

②判断此数据帧中的ID信息是否与本身ID信息相同。

③如果ID信息相同，则将此数据帧发送给主MCU;如果不同，则将此数据帧删除，不做任何处理。

4 智能开关的校准

校准是利用标准电能表，将有功/无功能量脉冲PF/QF通过光耦直接连接到标准表上，然后根据标准电能表的误差读数对RN8209G进行校正。经过校正后，智能开关的电压、电流、功率测量精度均可达到0.5 s级。

通过标准电能表对RN8209G计量模块进行校表的流程如图6所示。

4.1 参数设置

参数设置主要包括：B通道ADCON设置、ADC增益选择、HFConst设置、起动电流设置、能量累加模式设置、其他参数设置。

无需考虑防窃电功能，因此不需向B通道输入电流信息，可设置ADCON，关闭B通道，ADC增益选择默认增益。

RN8209外部晶振为3.579 545 MHz，HFConst的计算公式如下：

式中，Vu为电压通道的电压，经220 V分压后得到，本设计中为222 mV左右;Vi为额定电流输入时电流通道的电压，在本设计中为32 mV;Un是输入电压220 V;Ib是额定电流10 A;EC为电表常数，设定为1 600 IMP/KWH。

其他设置方法不再一一赘述。

4.2 有功校正

有功校正包括功率增益校正和相位校正。

功率增益校正可通过配置GPQA寄存器实现。在进行功率增益校正时，将标准表设置为100%Ib，PF=1L，读出误差为ERR，Pgain可通过下式计算：

相位校正可通过配置PHSA寄存器实现。在进行相位校正时，将标准表设置为100%Ib，PF=0.5L，读出误差为ERR，通过下式计算PHSA：

如果PHSA>0，校正值是将PHSA取整;如果PHSA<0，校正值是PHSA+28后取整。

4.3 有效值校正

有效值校正包括电流offset校正、额定电流校正、额定电压校正，具体方法不再赘述。

结语

智能开关的测试主要有两个方面：无线数据收发距离测试和电参量精确度测试。将智能开关接入照明回路中上电运行，经过组网后，监控中心便可查询此开关的计量参数，实现计量功能。

通过测试，智能开关可以有效地进行组网，通过接收监控中心的命令来控制灯具的亮灭，当数据传输率为9 600 bps和发射功率为10 dBm时，空旷地有效通信距离可达400 m，室内测试可穿透两层实体墙，并可将计量的电压、电流、功率等参数上传至网络。各电参量测量精度均可达到0.5S级。

实验结果表明，该智能插座具有组网简单、通信可靠、计量精确等特点，在实际应用中基本满足了大型公共建筑物智能用电系统的需要。